Poros Atau Shaft

Poros atau Shaft

Bekasi, 15 Mei 2014.

Secara istilah poros adalah elemen mesin yang berbentuk batang dan umumnya berpenampang lingkaran, berfungsi untuk memindahkan putaran atau mendukung sesuatu beban dengan atau tanpa meneruskan daya.

beban yang didukung oleh poros pada umumnya adalah roda gigi, roda daya (fly wheel), roda ban (pulley), roda gesek, dan lain lain. poros hampir terdapat pada setiap konstruksi mesin dengan fungsi yang berbeda beda. dilihat dari fungsinya poros dibedakan menjadi
   1. poros dukung : misalnya gandar, poros motor
   2. poros transmisi : misalnya poros motor listrik, poros gigi transmisi pada gear box
   3. gabungan antara dukung dan transmisi : misalnya poros pada roda mobil
perencanaan poros mengacu pada kekuatan bahan poros. untuk bahan yang liat (ductile material), ukuran poros dihiytung dengan menggunakan teori tegangan geser meksimal, sedangkan untuk bahan yang getas (brittle material) dihitung dengan teori tegangan normal maksimal. dimana kedua teori tersebut dikembangkan dari teori tegangan utama yaitu RANKINE.
tegangan pada poros pada umumnya berupa tegangan puntir saja, bengkok saja, atau gabungan puntir dan bengkok.
bahan poros pada umumnya menggunakan machinery steels, dimana tegangan bengkok ijin sebesar 400-800 kg/cm persegi, tegangan geser ijin sebesar 420 kg/cm persegi untuk yang berpasak dan 560 kg/cm persegi yang tanpa pasak.
yang tergolong machinery steels yaitu high carbon steel dan tensile steel. dipasaran indonesia yang tergolong kelompok tersebut  adalah jis s 45 c, SCM-4

Poros adalah salah satu elemen terpenting dari setiap mesin. Peran utama poros yaitu meneruskan tenaga bersama–sama dengan putaran. Pada aplikasi di dunia industri, poros digunakan untuk mentransmisikan daya. Poros dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

a.    Poros transmisi/Shaft

Poros semacam ini mendapat beban puntir murni atau beban puntir dan lentur. Daya yang ditransmisikan kepada poros melalui kopling, roda gigi, puli sabuk, atau sproket rantai, dan lain–lain.

b.    Spindel

Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama pada mesin bubut, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindel. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti.

c.    Line shaft

Poros ini berhubungan langsung dengan mekanisme yang digerakkan dan berfungsi memindahkan daya dari motor penggerak ke mekanisme tersebut.

 Adapun hal-hal penting yang perlu diperhatikan dalam perencanaan sebuah poros, yaitu:

1)      Kekuatan poros

Poros transmisi mengalami beban puntir atau lentur maka kekuatannya harus direncanakan sebelumnya agar cukup kuat dan mampu menahan beban.

2)      Kekakuan poros

Lenturan yang dialami poros terlalu besar maka akan menyebabkan ketidaktelitian atau getaran dan suara. Oleh karena itu kekakuan poros juga perlu diperhatikan dan disesuaikan dengan mesin.

3)      Putaran kritis

Putaran kerja poros haruslah lebih rendah dari putaran kritisnya demi keamanan karena getarannya sangat besar akan terjadi apabila putaran poros dinaikkan pada harga putaran kritisnya.

4)      Korosi

Poros-poros yang sering berhenti lama maka perlu dipilih poros yang terbuat dari bahan yang tahan korosi dan perlu untuk dilakukannya perlindungan terhadap korosi secara berkala.

5)        Bahan poros

Poros yang biasa digunakan pada mesin adalah baja dengan kadar karbon yang bervariasi. Adapun penggolongannya dapat dilihat pada Tabel 4. 

Tabel 4. Penggolongan Bahan Poros

Golongan	Kadar C (%)
Baja lunak Baja liat Baja agak keras Baja keras Baja sangat keras	-0,15 0,2-0,3 0,3-0,5 0,5-0,8 0,8-1,2

 (Sularso, 1978:4).

Perhitungan yang digunakan dalam merancang dan guna untuk menganalisa kerja poros transmisi yang mengalami beban puntir murni (torsi) adalah sebagai berikut :

            

Faktor koreksi momen lentur mempunyai ketentuan yaitu untuk poros yang berputar dengan pembebanan momen lentur tetap, besarnya faktor K¬m = 1,5. Poros dengan tumbukan ringan K¬m terletak antara 1,5 dam 2,0, dan untuk beban dengan tumbukan berat K¬m terletak antara 2 dan 3 (Sularso 1991: 17).

berikutnya akan dihitung diameter minimal pada poros. untuk perhitunganya adalah sebagai berikut :

keterangan :

      Km = faktor koreksi momen lentur

      M   = Momen lentur (kg.mm)

      Kt   = faktor koreksi momen puntir

      T     = momen puntir (kg .mm)

Elemen Mesin " Perhitungan Pembebanan Pada Poros "

Perhitungan Pembebanan Pada Poros

9 Mei 2014

Shaft

Shaft (poros) adalah elemen mesin yang digunakan untuk mentransmisikan daya dari satu tempat ke tempat lainnya. Daya tersebut dihasilkan oleh gaya tangensial dan momen torsi yang hasil akhirnya adalah daya tersebut akan ditransmisikan kepada elemen lain yang berhubungan dengan poros tersebut. Poros juga merupakan suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi (gear), pulley, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya.

Jenis-Jenis Poros

A. Berdasarkan pembebanannya

• Poros transmisi (transmission shafts)
  
  Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft. Shaft akan mengalami beban puntir berulang, beban lentur secara bergantian ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya dapat ditransmisikan melalui gear, belt pulley, sprocket rantai, dll.
  
• Poros Gandar
  
  Poros gandar merupakan poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang. Poros gandar tidak menerima beban puntir dan hanya mendapat beban lentur.
  
• Poros spindle
  
  Poros spindle merupakan poros transmisi yang relatip pendek, misalnya pada poros utama mesin perkakas dimana beban utamanya berupa beban puntiran. Selain beban puntiran, poros spindle juga menerima beban lentur (axial load). Poros spindle dapat digunakan secara efektip apabila deformasi yang terjadi pada poros tersebut kecil.
  

B. Berdasarkan bentuknya

• Poros lurus
  
• Poros engkol sebagai penggerak utama pada silinder mesin
  

Sifat-Sifat Poros Yang Harus Diperhatikan

• Kekuatan poros

        Poros transmisi akan menerima beban puntir (twisting moment), beban lentur (bending moment) ataupun gabungan antara beban puntir dan lentur. Dalam perancangan poros perlu memperhatikan beberapa faktor, misalnya : kelelahan, tumbukan dan pengaruh konsentrasi tegangan bila menggunakan poros bertangga ataupun penggunaan alur pasak pada poros tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan beban-beban tersebut.

• Kekakuan poros

        Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup aman dalam menahan pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang terlalu besar akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas), getaran mesin (vibration) dan suara (noise). Oleh karena itu disamping memperhatikan kekuatan poros, kekakuan poros juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan jenis mesin yang akan ditransmisikan dayanya dengan poros tersebut.

• Putaran kritis

        Bila putaran mesin dinaikan maka akan menimbulkan getaran (vibration) pada mesin tersebut. Batas antara putaran mesin yang mempunyai jumlah putaran normal dengan putaran mesin yang menimbulkan getaran yang tinggi disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor bakar, motor listrik, dll. Selain itu, timbulnya getaran yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian lainnya. Jadi dalam perancangan poros perlu mempertimbangkan putaran kerja dari poros tersebut agar lebih rendah dari putaran kritisnya.

• Korosi

        Apabila terjadi kontak langsung antara poros dengan fluida korosif maka dapat mengakibatkan korosi pada poros tersebut, misalnya propeller shaft pada pompa air. Oleh karena itu pemilihan bahan-bahan poros (plastik) dari bahan yang tahan korosi perlu mendapat prioritas utama.

C. Material poros

Material yang biasa digunakan dalam membuat poros adalah carbon steel (baja karbon), yaitu carbon steel 40 C 8, 45 C 8, 50 C 4, dan 50 C 12. Namun, untuk poros yang biasa digunakan untuk putaran tinggi dan beban yang berat pada umumnya dibuat dari baja paduan (alloy steel) dengan proses pengerasan kulit (case hardening) sehingga tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja khrom nikel, baja khrom nikel molebdenum, baja khrom, baja khrom vanadium, dll. Sekalipun demikian, baja paduan khusus tidak selalu dianjurkan jika alasannya hanya karena putaran tinggi dan pembebanan yang berat saja. Dengan demikian perlu dipertimbangkan dalam pemilihan jenis proses heat treatment yang tepat sehingga akan diperoleh kekuatan yang sesuai.

D. Perhitungan Poros

1. Pembebanan tetap (constant loads)

.: Untuk Poros yang hanya terdapat momen puntir saja

 

Dimana :

T = Momen puntir pada poros, J = Momen Inersia Polar, r = jari-jari poros = do/2, τ = torsional shear stress

• Untuk poros solid (solid shaft), dapat dirumuskan :

Sehingga momen puntir pada poros adalah:

 

• Sedangkan momen inersia polar pada poros berongga (hollow shaft) digunakan :

 

Dimana do dan di adalah diameter luar dan dalam

Sehingga didapat :

 Dengan mensubstitusikan, di/do = k

Maka didapat,

 Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari :

 Dimana : P = daya (W), T = moment puntir (N.m), N = kecepatan poros (rpm)

Untuk menghitung sabuk penggerak (belt drive), dapat digunakan :

Dimana :

T1 dan T2 : tarikan pada sisi kencang (tight) dan kendor (slack).

R = jari-jari pulley

.: Untuk Poros yang hanya terdapat bending momen saja

 Dimana :

M = momen lentur pada poros, I = momen inersia, O = bending momen, y = jari-jari poros = d/2

• Untuk poros solid (solid shaft), besarnya momen inersia dirumuskan :

 Setelah disubtitusikan didapatkan persamaan :

• Sedangkan untuk poros berongga (hollow shaft), besarnya momen inersia dirumuskan :

Sehingga :

.: Untuk Poros dengan kombinasi momen lentur dan momen puntir

Jika pada poros tersebut terdapat kombinasi antara momen bending dan momen puntir maka perancangan poros harus didasarkan pada kedua momen tersebut. Banyak teori telah diterapkan untuk menghitung elastic failure dari material ketika dikenai momen lentur dan momen puntir, misalnya :

• Maximum shear stress theory atau Guest’s theory: Teori ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja lunak (mild steel).
• Maximum normal stress theory atau Rankine’s theory: Teori ini digunakan untuk material yang keras dan getas (brittle), misalnya besi cor (cast iron).

Terkait dengan Maximum shear stress theory atau Guest’s theory bahwa besarnya maximum shear stress pada poros dirumuskan :

Dengan mensubtitusikan nilai 𝜎b dan τ, didapat:

 Pernyataan dikenal sebagai equivalent twisting moment yang disimbolkan dengan . Sehingga dapat disimpulkan bahwa :

 Selanjutnya, berdasarkan maximum normal stress theory, didapat :

 Dengan cara dan proses yang sama seperti sebelumnya, maka akan didapatkan

2. Pembebanan berubah-ubah (fluctuating loads)

Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan mengenai pembebanan tetap (constant loads) yang terjadi pada poros. Dan pada kenyataannya bahwa poros justru akan mengalami pembebanan puntir dan pembebanan lentur yang berubah-ubah. Dengan mempertimbangkan jenis beban, sifat beban, dll. yang terjadi pada poros maka ASME (American Society of Mechanical Engineers) menganjurkan dalam perhitungan untuk menentukan diameter poros yang dapat diterima (aman) perlu memperhitungkan pengaruh kelelahan karena beban berulang.

Dalam hal ini untuk momen puntir digunakan factor koreksi Kt dan untuk momen bending digunakan factor koreksi Km. Sehingga persamaan untuk Te dan Me menjadi,

Tabel 1 :factor koreksi

3. Menentukan nilai safety factor

 Untuk menentukan safety factor (ns) pada poros, kami menggunakan metode Pugsley. Penentuan safety factor (ns) dengan menggunakan metode Pugsley dapat ditentukan melalui persamaan:

dimana :

nsx= safety factor untuk karakteristik A,B, dan C

A = kualitas material, pembuatan, perawatan, dan pemerikasaan

B = kontrol dari beban berlebih yang diberikan ke alat

C = ketelitian dari analisa beban, data percobaan atau mengalami kemiripan dengan alat yang sejenis.

nsy= safety factor untuk karakteristik D dan E

D = Bahaya ke manusia

E = Dampak Ekonomi

Tabel 1.1 memberikan harga nsx untuk berbagai kondisi A,B, dan C. Untuk menggunakan tabel ini, digunakan beberapa karakterisrik untuk keterangan-keterangan seperti Very Good (vg), Good (g), Fair (f), atau Poor (p). Tabel 1.2 memberikan harga nsy untuk berbagai kondisi D dan E. Untuk menggunakan tabel tersebut, digunakan salah satu karekteristik seperti Very serious (vs), Serious (s), atau Not serious (ns). Menempatkan harga dari nsx dan nsy dalam persamaan diatas menghasilkan harga safety factor.

Penentuan harga A, B, C, D, dan E:

• A = vg, karena poros merupakan salah satu komponen terpenting
• B = g, karena poros hanya menerima beban yang konstan.
• C = g, perhitungan yang akurat dalam merancang poros. Akan tetapi banyak variable yang tidak diketahui sehingga banyak menggunakan asumsi
• D = vs, karena tidak ada factor yang membahayakan bagi pengguna.
• E = ns, karena tidak ada perkara hukum.

Tabel 1.1

Karakteristik safety faktor A, B, dan C

vg = very good
g = good
f = fair
p = poor

Tabel 1.2

Karakteristik safety faktor D dan E

ns = not serious
s = serious
vs = very serious

Referensi:

Khurmi, R.S. dan J.K. Gupta. 1982. A Text Book of Machine Design. Ram Nagar-New Delhi. Eurasia Publishing House

Hamrock, dkk. 1999. Fundamentals of Machine Element . Singapore. Mc Graw-Hill